Гольдшмидт М.Г. Методология конструирования. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

131

вижных частей конструкции при сохранении ее прочности и

надежности.

5.1.2.6.

Конструкция манипулятора должна исключать его поломку

при встрече с препятствием на скорости, соответствующей но-

минальной скорости перемещения рабочего органа.

5.1.2.7.

Статический прогиб конструкции манипулятора, при приложе-

нии к его рабочему органу наибольшей возможной силы, не

должен превышать удвоенного значения абсолютной погреш-

ности позиционирования ПР.

5.1.2.8.

Свободный ход между валом (штоком) двигателя и датчиком

положения конструктивных модулей манипулятора не должен

превышать дискреты датчика положения.

5.1.2.9.

Коэффициент полезного действия механических передач не

должен быть ниже 0,6.

5.1.2.10.

Составные части манипулятора должны иметь надежную за-

щиту от попадания загрязняющих веществ на направляющие,

контакты, датчики.

5.1.2.11.

Конструкция руки манипулятора должна обеспечивать воз-

можность быстрой (автоматической) замены рабочих органов.

5.1.3.

Требования к устройству управления.

5.1.3.1.

Устройство управления конструктивно должно быть выполне-

но в виде отдельной стойки со встроенными преобразователя-

ми следящих приводов ПР, выносным пультом ручного обуче-

ния и удовлетворять требованиям ГОСТ 21021-2000.

5.1.3.2.

Устройство управления должно иметь клавиатуру ручного

ввода и дисплей либо интерфейсы связи с клавиатурой и дис-

плеем, обеспечивающие проведение обучения, контроля и ре-

дактирования программ, диагностику технического состояния

ПР в диалоговом режиме.

5.1.3.3.

Устройство управления должно обеспечивать позиционное

(контурное, позиционно-контурное, цикловое) управление

движением манипулятора по … степеням подвижности.

5.1.3.4.

Устройство управления при работе в контурном режиме рабо-

ты должно обеспечивать круговую интерполяцию по радиусу

… с максимальной скоростью … м/мин и линейную интерпо-

ляцию с максимальной скоростью … м/мин.

5.1.3.5.

Основные режимы работы: обучение; автоматическая работа;

автоматическая работа по кадрам; контроль программы; редак-

тирование программы; коррекция программы; ввод параметров

ПР; поиск кадра; поиск программы.

5.1.3.6.

Питание – от трехфазной сети переменного тока напряжением

380 В, частотой 50 Гц, мощностью … Вт.

132

5.1.4.

Требования к программному обеспечению.

5.1.4.1.

ПО должно обеспечить два режима ручного управления мани-

пулятора: непрерывное перемещение в выбранном направле-

нии со скоростью, заданной с пульта оператора, пошаговое пе-

ремещение в выбранном направлении на шаг, заданный с пуль-

та оператора.

5.1.5.

Требования к кабелям.

5.1.5.1.

Кабели должны иметь надежную защиту от механических по-

вреждений.

5.2. Показатели назначения и экономного использования сырья, мате-

риалов, топлива, энергии.

5.2.1. Номинальная грузоподъемность, кг ...................................................

5.2.2.

Максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм…

5.2.3.

Геометрические характеристики рабочей зоны ……………………

5.2.4.

Показатели назначения степени подвижности.

5.2.4.1.

Показатели … степени подвижности (ее наименование):

– максимальное перемещение, мм (°) …………………………………

– время перемещения, с ………………………………………………

– максимальная скорость, мм/с (°/с) …………………………………

– максимальное ускорение, мм/с

(°/с

) ………………………………

– максимальная абсолютная погрешность позиционирования ……

5.2.5.

Производительность ПР при выполнении операций, не ниже (не

менее)………………………………………………………………….

5.2.6.

Время разгона до номинальной скорости, с, не более ……………

5.2.7.

Диапазон регулирования скорости …………………………………

5.3. Требования к надежности.

5.3.1. Все узлы и механизмы ПР должны работать без заеданий и уда-

ров.

5.3.2.

Электроаппаратура и электродвигатели должны быть защищены

от попадания влаги по категории «Правил устройства электроус-

тановок (ПУЭ)».

5.3.3.

В наиболее ответственных местах должны быть предусмотрены

предохранительные устройства от механических перегрузок.

5.3.4.

Средний срок службы ПР до списания с учетом всех видов плано-

во-предупредительных и восстановительных ремонтов, лет, не

менее …………………………………………………………………..

5.4. Требования к технологичности и метрологическому обеспечению

разработки, производства и эксплуатации.

5.4.1. Конструкция ПР должна быть технологичной при изготовлении,

эксплуатации и ремонте.

5.4.2.

Основные контролируемые параметры:

………………………………………………………………………...

133

5.5. Требования к уровню унификации и стандартизации.

5.6.

Требования безопасности и требования по охране природы.

5.6.1. Уровень шума на рабочем месте не должен превышать значений,

установленных ГОСТ 12.1.003–83.

5.6.2.

Необходимо предусмотреть средства, обеспечивающие надежное

заземление всех составных частей ПР, которые могут оказаться

под напряжением.

5.7. Эстетические и эргономические требования.

5.7.1. Конструкция составных частей ПР и их внешний вид должны со-

ответствовать современным требованиям технической эстетики.

5.7.2.

Места регулирования, точки смазки манипулятора должны нахо-

диться в доступных местах и не требовать его разборки.

5.7.3.

Установка органов управления и усилия, прикладываемые к ним

человеком, должны отвечать эргономическим требованиям.

5.8. Требования к патентной чистоте.

5.8.1. По основным техническим параметрам и технико-экономическим

показателям ПР должен иметь преимущество перед существую-

щими отечественными образцами роботов данного класса и нахо-

диться на уровне современных зарубежных образцов.

5.9. Требования к составным частям ПР, сырью, исходным и экс-

плуатационным материалам.

5.9.1. Все металлические части манипулятора, за исключением выпол-

ненных из коррозийно-стойких материалов, должны быть защи-

щены от коррозии.

5.10. Условия эксплуатации, требования к техническому обслужива-

нию и ремонту.

5.11.

Требования к маркировке и упаковке.

5.12.

Требования к транспортированию и хранению.

………………………………………………………………………..

6. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

6.1.

Экономический эффект от внедрения одного ПР составляет

…тыс. руб.

………………..………………………………………………………..

134

7. СТАДИИ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ

7.1. Разработка конструкторской документации на ПР

предусматривает следующие стадии, этапы работ и срок

их выполнения:

- эскизный проект …………………………………..

- технический проект ………………..……………

- разработка рабочей конструкторской докумен-

тации …………………………………………………………

- изготовление опытного образца……...…………

- монтаж и испытание опытного образца ……….

- корректировка конструкторской документации

по результатам испытаний …………………………………

- приемочные испытания………………………….

- изготовление и испытание установочной партии

…………………………………………………………………

… кв.20… г.

135

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРОЕКТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЁТЫ ЭЛЕМЕНТОВ

КОНСТРУКЦИИ

В разделе приведены проектировочные расчеты некоторых эле-

ментов конструкции и численные примеры расчетов.

1. Расчёт осей и валов [3]

Проектировочный расчёт выполняют для ориентировочного опре-

деления минимального диаметра вала или оси исходя из соображений

статической прочности. При этом учитываются все активные силы свя-

зей и найденные по ним результирующие моменты.

Выбор диаметра оси. Из условия прочности при изгибе

[]

σ≤=σ

, (П.1)

учитывая, что момент сопротивления изгибу для круглого сечения

= , (П.2)

определяют диаметр

d оси в месте действия наибольшего изгибающего

момента:

[]

max

17,2

⋅≥

. (П.3)

В качестве ориентировочного допускаемого напряжения для осей

из стали рекомендуется принимать следующие значения: для невра-

щающихся осей [

σ] = 50…80 МПа; для вращающихся осей

[

σ] = 30…60 МПа.

Выбор диаметра вала. Расчет проводят по изгибающему и кру-

тящему моментам в наиболее нагруженном месте вала. Согласно гипо-

тезе наибольших касательных напряжений (третьей гипотезе прочно-

сти) эквивалентное напряжение для валов определяется из выражения

[

]

σ≤τ+σ=σ

экв

4. (П.4)

Здесь

σ и τ – напряжения изгиба и кручения, вычисляемые по формулам

max

=σ ; (П.5)

136

=τ

, (П.6)

где

и W

– осевой момент и полярный моменты сопротивления для

круглого сечения:

; (П.7)

. (П.8)

Используя формулы (П.4) …(П.8), получим

[]

max

пр

17,2

⋅≥

, (П.9)

где

(

)

max

пр

17,2

MMM +⋅= – (П.10)

максимальный приведенный момент.

При известном допускаемом нормальном напряжении для стали

диаметр вала вычисляют по формуле (9) и затем округляют до ближай-

шего стандартного значения из ряда нормальных линейных размеров,

мм: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50,

56, ….

Если поперечные усилия действуют в разных плоскостях, то они

раскладываются в двух взаимно перпендикулярных направлениях (y, z),

и в каждом из них определяется изгибающий момент. Результирующий

изгибающий момент находится по выр

ажению

MMM +=

, (П.11)

а приведенный момент – по формуле

пр

MMM +=

. (П.12)

В качестве ориентировочного допускаемого напряжения валов из

стали, в зависимости от конструктивного вида, материала и пролета ме-

жду подшипниками, выбирают значение [σ] = 30…60 МПа.

Если к началу расчета расстояние между подшипниками, а следо-

вательно, реакции опор и изгибающие моменты еще не установлены, то

диаметр вала рассчитывают по крутящему моменту, который определя-

137

ется через заданную мощность N, кВт, и частоту вращения вала n,

об/мин. Из условия прочности при кручении

[]

τ≤=τ

(П.13)

и с учетом того, что полярный момент сопротивления для круглого се-

чения находится по формуле (П.8), определяют диаметр вала

[]

71,1

⋅≥

d . (П.14)

Крутящий момент, Н⋅м, приложенный к валу, рассчитывают по

формуле

1057,9 ⋅= . (П.15)

В зависимости от конструкции вала, материала и дополнительного

изгибного напряжения для сталей принимают следующие ориентиро-

вочные значения допускаемого касательного напряжения

[τ] = 12…15 МПа.

2. Расчет подшипников [3]

Опорами валов и вращающихся осей служат подшипники. В зави-

симости от направления действия воспринимаемой подшипниками на-

грузки (радиальной, осевой и комбинированной радиальной и осевой)

они делятся на радиальные,

упорные и радиально-

упорные.

По типу трения разли-

чают подшипники скольже-

ния и подшипники качения.

2.1. Подшипники

скольжения

В большинстве случа-

ев подшипники скольжения

состоят из корпуса, вклады-

шей и устройств для смазы-

вания. Пример подшипника

скольжения показан на

рис.П.1. Вкладыш 1 уста-

новлен в корпусе 2, смазоч-

ный материал подается в

смазочную канавку 3 с по-

123

∅

120

Рис. П.1. Подшипник скольжения в меха-

низме манипулятора промышленного робо-

та ПРЦ–1

138

мощью масленки 4 или закладывается в канавку при обслуживании ро-

бота и обеспечивает смазывание контактирующей поверхности вала 5.

К достоинствам описанного подшипника скольжения следует от-

нести: малые радиальные размеры; простоту конструкции; бесшумность

работы; способность воспринимать большие ударные и вибрационные

нагрузки.

Недостатки: сравнительно большие осевые размеры; необходи-

мость постоянного наблюдения за процессом смазывания; значитель-

ный расход смазочного материала.

В качестве смазочных материалов используются в основном жид-

кие масла (индустриальные различных марок, моторные и др.). При

ударных нагрузках применяют мази: солидолы и консталины.

К материалу вкладышей предъявляются следующие главные тре-

бования: хорошая износостойкость; высокая сопротивляемость хрупко-

му разрушению при ударных нагрузках; малый коэффициент трения;

высокая теплопроводность при малом температурном расширении.

При средних скоростях и нагрузках используются вкладыши из

бронзы. Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные

бронзы БрО10Ф1, БрО5Ц5С5. Вкладыши из алюминиевых (БрА9ЖЗЛ и

др.) и свинцовых (БрС3О) бронз вызывают повышенный износ контак-

тирующих с ними поверхностей валов, поэтому такие вкладыши приме-

няются в паре только с закаленными цапфами валов. Вкладыши из

свинцовых бронз хорошо работают при знакопеременных ударных на-

грузках.

Расчет подшипников скольжения. Основной критерий работо-

способности подшипника скольжения – износостойкость, т. е. сопро-

тивление изнашиванию и заеданию. Большинство подшипников сколь-

жения работает в условиях несовершенного смазывания; теория расчета

при этом режиме отсутствует. Поэтому расчет производят условно по

среднему давлению на поверхности подшипника и по нормальному те-

пловому режиму (без заедания).

Расчет по среднему давлению р

ср

на трущихся поверхностях га-

рантирует невыдавливаемость смазочного материала, а тепловой расчет

и проверка по критерию p

ср

v – нормальный тепловой режим и отсутст-

вие заедания. При этом должны выполняться условия

[]

ср

p ≤=

; (П.16)

[

]

vpvp

срср

≤

, (П.17)

139

где F

– радиальная нагрузка на подшипник; S – площадь проекции

цапфы на плоскость, проходящую через ось вала; v — окружная ско-

рость контактирующей поверхности вала.

Площадь проекции определяется по формуле

, (П.18)

где d и l – соответственно диаметр и длина шейки вала. Для большинст-

ва подшипников l= (0,5…1,2) d.

Значения [р

ср

] и [p

v] зависят от материала поверхностей трения.

Для стальных валов и бронзовых вкладышей [р

ср

] = 4…6 МПа;

v] = 4...6 МПа(м/с).

Пример 1. Произведем проверку подшипника скольжения, уста-

новленного в механизме подъема манипулятора промышленного робота

ПРЦ–1 (см. рис. П.1). Размеры вкладыша: d = 120 мм и l = 90 мм. Ради-

альная нагрузка на подшипник, с учетом воздействия сил инерции ма-

нипулятора, F

= 15,6 кН при максимальной угловой скорости ω = 2,0

рад/с. Материал вкладыша – БРО10Ф1, материал вала – нормализован-

ная сталь 45. Одновременно с вращением вал может скользить во вкла-

дыше в осевом направлении с линейной скоростью до 500 мм/с.

Окружную скорость шейки вала определим по формуле

vvv +=

где v

– окружная скорость, 120

120

==ω=

v мм/с; v

– осевая ско-

рость; v

= 500 мм/с. После подстановки значений получим

514,010500120

322

=⋅+=

−

м/с.

Для БРО10Ф1 принимаем [р

ср

] = 4 МПа; [p

v] = 4 МПа(м/с).

Среднее давление в подшипнике определяем по формуле (16):

()

44,1

90120

106,15

ср

⋅

МПа.

т. е. условие р

ср

v ≤ [p

v] выполняется. Следовательно, подшипник для

заданного режима работы пригоден, причем он не сильно нагружен и

работает в благоприятных условиях.

2.2. Подшипники качения

Подшипники качения – это готовые узлы, основными элементами

которых являются тела качения (шарики или ролики), установленные

между кольцами и удерживаемые на определенном расстоянии друг от

140

друга сепаратором. Подшипники качения стандартизованы и изготавли-

ваются в массовом производстве на специализированных заводах.

К достоинствам подшипников качения следует отнести низкую

стоимость (благодаря массовому производству), малые трение, осевые

размеры, расход смазочного материала. Недостатки: высокая чувстви-

тельность к ударным и вибрационным нагрузкам, сравнительно боль-

шие радиальные размеры.

Чаще всего используются шариковые радиальные подшипники.

Они дешевы, допускают пер

екос внутреннего кольца относительно на-

ружного до 10′; дорожки качения позволяют воспринимать некоторую

осевую нагрузку, обеспечивая фиксирование вала в двух направлениях.

Основные размеры радиальных подшипников и их грузоподъемность

для диаметров 35, 40 и 45 мм приведены в табл. 1. Здесь d, D, B соответ-

ственно внутренний, наружный диаметры и ширина подшипников, r –

размер монтажных фасок. Полные данные о подшипниках различных

типов содержат

ся в справочниках и каталогах.

Расчет подшипников качения. Поскольку основные причины

потери работоспособности подшипников качения – усталостное выкра-

шивание рабочих поверхностей и пластические деформации вследствие

больших статических нагрузок, то основными критериями работоспо-

собности являются: долговечность по усталостному выкрашиванию;

статическая грузоподъемность по пластическим деформациям.

Расчет на долговечность производят для подшипников, угловая

скорость вращения которых равна или превосходит 0,1 рад/с. Невра-

щающиеся или вращающиеся с меньшей угловой скоростью подшипни-

ки рассчитывают на статическую грузоподъемность.

При выборе типа подшипника вначале рассматривают возмож-

ность использования радиальных однорядных подшипников как наибо-

лее дешевых и простых в эксплуатации; применение других типов под-

шипников должно быть обосновано.

Выбор подшипников производится на основании динамической

грузоподъемности С

; она равна постоянной нагрузке, которую под-

шипник может воспринимать при базовой долговечности, составляю-

щей 10

об. Значения С

приводятся в справочниках для всех типоразме-

ров подшипников (см., например, табл. П.1). Расчетная динамическая

грузоподъемность, Н, определяется по формуле

расч

10573

LRC ω⋅⋅=

−

, (П.19)

где R

– приведенная динамическая нагрузка, Н; р – показатель степени

(для шариковых подшипников р = 3, для роликовых – р = 3,33); L

–

требуемая долговечность, ч (в робототехнике L

= 4 000...30 000 ч), если

ω < 1 рад/с, в (П.19) подставляют ω= 1 рад/с.